(57)【要約】【課題】フォトダイオードなどの光電変換部への光量の増大をはかるとともに、混色や色シェーディングの発生を抑制することの可能なカラーフィルタ兼用マイクロレンズを提供する。高感度でかつ、混色や色シェーディングの発生を抑制することの可能な固体撮像素子を提供する。【解決手段】本発明のカラーフィルタ兼用マイクロレンズにおけるカラーフィルタは、画素を構成する複数の光電変換領域のそれぞれに対向するように配置され、前記光電変換領域に入射する光を画素毎に色分離するためのカラーフィルタであって、前記カラーフィルタは第１の色を選択的に透過する第１のカラーフィルタと、前記第１の色とは異なる第２の色を選択的に透過する第２のカラーフィルタとが並列配置され、前記第１および第２のカラーフィルタは、周囲に光学領域を介して隣接するように配置される。【選択図】図１
2007324321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素を構成する複数の光電変換領域のそれぞれに対向するように配置され、前記光電変換領域に入射する光を画素毎に色分離するためのフィルタ機能を備えたマイクロレンズであって、
前記マイクロレンズは、第１の色を選択的に透過する第１のカラーフィルタと、前記第１の色とは異なる第２の色を選択的に透過する第２のカラーフィルタとが並置され、
前記第１および第２のカラーフィルタが、周囲に集光機能を有する光学領域を介して隣接するように配置されたマイクロレンズ。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロレンズであって、
前記光学領域が、前記第１および第２のカラーフィルタの周囲全体にわたって配置されたレンズ領域であるマイクロレンズ。
【請求項３】
請求項１に記載のマイクロレンズであって、
前記光学領域に加えて、前記第１および第２のカラーフィルタ上で所望の曲率を有するマイクロレンズを構成するように光学領域が配置されたマイクロレンズ。
【請求項４】
請求項１に記載のマイクロレンズであって、
前記第１および第２のカラーフィルタの上面は所望の曲率を有するマイクロレンズを構成するように形状加工されたマイクロレンズ。
【請求項５】
請求項４に記載のマイクロレンズであって、
前記第１および第２のカラーフィルタと前記光学領域とが、所望の曲率を有するレンズを構成するように連続した上凸曲面をもつマイクロレンズ。
【請求項６】
請求項２に記載のマイクロレンズであって、
前記第１および第２のカラーフィルタは上面で平坦面を構成するマイクロレンズ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載のマイクロレンズであって、
前記マイクロレンズは、光電変換部の上層に平坦化膜を介して形成されたマイクロレンズ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載のマイクロレンズであって、
前記第１および第２のカラーフィルタは、前記光電変換部に近づくにつれて幅または径が小さくなるようなテーパ面を構成するものであるマイクロレンズ。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載のマイクロレンズであって、
前記カラーフィルタは、さらに第３の色を選択的に透過する第３のカラーフィルタを含むものであるマイクロレンズ。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載のマイクロレンズであって、
前記光学領域が、前記カラーフィルタの色毎に異なる面積を持つように構成されたマイクロレンズ。
【請求項１１】
請求項１乃至９のいずれかに記載のマイクロレンズであって、
前記第１乃至第３のマイクロレンズは、色毎に互いに異なる面積を持つように構成されたマイクロレンズ。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれかに記載のマイクロレンズであって、
前記マイクロレンズは、基板の周縁部と中心部とで、前記カラーフィルタの周囲の前記光学領域と前記カラーフィルタとの面積比が異なるマイクロレンズ。
【請求項１３】
請求項１乃至１１のいずれかに記載のマイクロレンズを備え、
画素を構成する複数の光電変換領域を備えた光電変換部と、前記光電変換部に接続される配線層を含む周辺回路部とを具備し、少なくとも光電変換部の上層に前記マイクロレンズを形成してなる固体撮像素子。
【請求項１４】
請求項１３に記載のマイクロレンズを備え、
前記周辺回路部は、前記光電変換部で生成された電荷を転送する電荷転送電極を備えた固体撮像素子。
【請求項１５】
請求項１４に記載の固体撮像素子であって、
前記光電変換領域ごとの特性に応じて前記マイクロレンズを構成する第１乃至第３のカラーフィルタと、当該カラーフィルタの周囲の前記光学領域との面積比が異なるように調整された固体撮像素子。
【請求項１６】
請求項１４に記載の固体撮像素子であって、
前記固体撮像素子を構成する画像撮像領域の中心部と周縁部とで、前記マイクロレンズを構成する第１乃至第３のカラーフィルタと当該カラーフィルタの周囲の前記光学領域との面積比が異なるように調整された固体撮像素子。
【請求項１７】
請求項１４に記載の固体撮像素子であって、
前記マイクロレンズは、前記光電変換部および電荷転送部上を覆う平坦化膜上に形成された固体撮像素子。
【請求項１８】
請求項１４に記載の固体撮像素子であって、
前記マイクロレンズは、それぞれ、周囲および上面を、前記光学領域を構成する透光性膜で被覆された固体撮像素子。
【請求項１９】
請求項１８に記載の固体撮像素子であって、
前記上面の光学領域が上凸曲面を有する固体撮像素子。
【請求項２０】
請求項１４に記載の固体撮像素子であって、
前記第１および第２のカラーフィルタは、前記光電変換部に近づくにつれて幅または径が小さくなるようなテーパ面を構成するものである固体撮像素子。
【請求項２１】
基体表面に、第１の色のカラーフィルタを構成する第１のマイクロレンズと、前記第１の色とは異なる第２の色のカラーフィルタを構成する第２のマイクロレンズとを配列してなる請求項１に記載のマイクロレンズの製造方法であって、
前記基体表面に、各色のカラーフィルタを囲む光学領域となる透光性膜を形成する工程と、
前記透光性膜にカラーフィルタを形成するための開口を形成する工程と、
前記開口の形成された基体表面にカラーフィルタ材料を充填する工程と、
前記透光性膜を形状加工し、レンズ面を構成した光学領域を形成する工程と、
を含むマイクロレンズの製造方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載のマイクロレンズの製造方法であって、
前記光学領域を形成する工程は、
カラーフィルタ材料を充填する工程の後に、透光性膜を形成する工程と、
前記透光性膜をパターニングし、前記カラーフィルタ上面および側面にレンズ面を形成するように前記透光性膜を形状加工する工程とを含むマイクロレンズの製造方法。
【請求項２３】
基体表面に、第１の色のカラーフィルタを構成する第１のマイクロレンズと、前記第１の色とは異なる第２の色のカラーフィルタを構成する第２のマイクロレンズとを配列してなる請求項１に記載のマイクロレンズを製造する方法であって、
前記基体表面に、第１のカラーフィルタおよび第２のカラーフィルタが離間するように配列されたカラーフィルタのパターンを形成する工程と、
各色のカラーフィルタのパターンを覆うように光学領域を形成する透光性膜を形成する工程とを含むマイクロレンズの製造方法。
【請求項２４】
基体表面に、第１の色のカラーフィルタを構成する第１のマイクロレンズと、前記第１の色とは異なる第２の色のカラーフィルタを構成する第２のマイクロレンズとを配列してなる請求項１に記載のマイクロレンズを製造する方法であって、
前記基体表面に、第１のカラーフィルタを形成する工程と、
前記第１のカラーフィルタのパターンを覆うように光学領域を形成する透光性膜を形成する工程と、
前記基体表面に、前記第１のカラーフィルタとは離間するように第２のカラーフィルタを形成する工程と、
前記第２のカラーフィルタを覆うように光学領域を形成する透光性膜を形成する工程と
前記透光性膜をパターニングし、レンズ面を形成する工程とを含むマイクロレンズの製造方法。
【請求項２５】
請求項１４乃至２０のいずれかに記載の固体撮像素子を製造する方法であって、
画素を構成する複数の光電変換領域を備えた光電変換部と、前記光電変換部に接続される配線層を含む周辺回路部とを形成した基体表面に、
前記基体表面に、第１のカラーフィルタおよび第２のカラーフィルタが離間するように配列されたカラーフィルタのパターンを形成する工程と、
各色のカラーフィルタのパターンを覆うように透光性膜を成膜し、光学領域を形成する工程とを含む固体撮像素子の製造方法。
【請求項２６】
請求項２５に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記透光性膜の一部がレンズ面を構成するように、レンズ加工を行う工程とを含む固体撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カラーフィルタ、その製造方法、これを用いた固体撮像素子、およびその製造方法にかかり、特に混色や色シェーディングを防ぎつつ、高感度のカラーセンサを形成するためのカラーフィルタに関する。
【０００２】
近年、固体撮像素子の高精細化は進む一方であり、この高精細化に伴う感度の低下を防ぐ為に、半導体基板上の複数の光電変換領域に対応して設けられるマイクロレンズやカラーフィルタ同士の配置間隔を極力狭くすることが求められている。このような固体撮像素子では、マイクロレンズやカラーフィルタの境界の部分に入射される光までをも有効利用しようとするが、マイクロレンズやカラーフィルタ同士の配置間隔が狭いために、マイクロレンズの境界とカラーフィルタの境界との位置のわずかなずれが混色を生み出したり、色シェーディング（色ムラ）の原因となってしまうことがある。
【０００３】
そこでこのような問題を解決するため、カラーフィルタの隣接する２色のカラーフィルタ同士の間に、当該２つのカラーフィルタの各々の分光特性をあわせ持つカラーフィルタを形成する方法が提案されている（特許文献１）。
【０００４】
この構成により、複数の光電変換領域の上方に複数の光電変換領域の各々に対応して１つずつ形成された少なくとも３色のカラーフィルタの隣接する２つのカラーフィルタ同士の間に、当該２つのカラーフィルタの各々の分光特性をあわせ持つカラーフィルタが形成されているため、各光電変換領域に斜め方向から入射してくる光の出力低下を防ぐことができ、色シェーディングの発生を抑制することができる。
【０００５】
また、光電変換部に対する入射光量のばらつきを抑制して撮像画像の悪化を防止すべく、入射隣接するカラーフィルタ間を平坦化材料で埋めることにより、表面の平坦化をはかるという方法も提案されている（特許文献２）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１５９０１６号公報
【特許文献２】特開２００４−１１１８６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の構造では、合計６色のカラーフィルタの形成工程が必要となり、パターン精度の低下も免れ得ず、またそれら各色間の相互の乗り上げに起因する特性劣化のリスクも増大し、製造の安定性を得るのは極めて困難であった。
また、特許文献２では、重なり部分の上に平坦化膜が形成されることになり、感度の低下は免れ得ないものとなっており、また、カラーフィルタ間の隙間を通過した入射光を画像情報として利用することは考えられていなかった。
【０００８】
このような状況の中で、固体撮像素子においては、高感度化、高解像度化、への要求は高まる一方であり、ギガピクセル以上まで撮像画素数の増加が進んでいる。チップサイズを大型化することなく高解像度を得るためには、混色や色シェーディングを防ぎつつ、単位画素あたりの面積を縮小し、高集積化を図ることになるが、これは感度低下をもたらすため、高感度化つまりは、カラーフィルタの透過率を向上し、フォトダイオードに導く光量の増大を図ることが、極めて重要な課題となっている。
【０００９】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、透過率の向上をはかり、フォトダイオードなどの光電変換部への入射光量の増大をはかるとともに、混色や色シェーディングの発生を抑制することが可能で、Ｆ値依存性の小さい、光学系を提供することを目的とする。
また、高感度でかつ、混色や色シェーディングの発生を抑制することの可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで本発明のカラーフィルタは、画素を構成する複数の光電変換領域のそれぞれに対向するように配置され、前記光電変換領域に入射する光を画素毎に色分離するためのカラーフィルタであって、第１の色を選択的に透過する第１のカラーフィルタと、前記第１の色とは異なる第２の色を選択的に透過する第２のカラーフィルタとが並列配置され、前記第１および第２のカラーフィルタは、周囲に集光機能を有する光学領域を介して隣接するように配置される。
この構成によれば、画素の周縁部は、レンズとして集光機能を有する光学領域で構成され、カラーフィルタはすべての画素の中心部にのみ設けられているので、各光電変換領域に到達する光量が増大し、感度の向上をはかることができる。
【００１１】
また、隣接する色のカラーフィルタが光学領域によって分離されているため、染色系のカラーフィルタを用いても染料の相互混入による混色を防止することができる。
【００１２】
ここで光学領域とは、所定波長域（この光学領域と共に当該画素を構成する色のカラーフィルタの透過波長域）以外の波長の光をも透過可能な透光性領域で構成され、当該カラーフィルタとともに画素を構成し、集光機能を持つように形状加工のなされた領域をいうものとする。
【００１３】
なお、このように画素の周縁部を光学領域で構成することにより、カラーフィルタを薄膜化して透過率の向上をはかる場合に比べ、半値幅の広がりを防止することができ、かつもれ部分の分光透過率の平坦化をはかることができ、色相分離特性が良好で、また蛍光灯下での肌色の色相が悪化しにくい。
【００１４】
また各画素の境界部すなわち、光学領域は色選択性を持たない領域となっているため、隣接画素のフィルタによる混色が生じにくいという特徴がある。
【００１５】
またこれはいいかえるとカラーフィルタの位置ずれに対する許容度が高いことになる。
ここでこのカラーフィルタの周囲の光学領域の面積は、各色共通でもよく、また色毎に違っていてもよい。さらにエリアセンサの場合エリア中央から周辺に向かって光学領域の面積を大きくしてもよい。
【００１６】
本発明は、前記カラーフィルタにおいて、前記光学領域が、前記第１および第２のカラーフィルタ上で所望の曲率を有するマイクロレンズを構成するように配置されたものを含む。
この構成により、カラーフィルタ上面でも集光性を高めることができるため、集光効率が向上する。
【００１７】
本発明は、上記カラーフィルタにおいて、前記第１および第２のカラーフィルタの上面は所望の曲率を有するマイクロレンズを構成するように形状加工されたものを含む。
この構成により、カラーフィルタ上面が所望の曲率を有するマイクロレンズを構成しているため、集光効率が向上する。
【００１８】
本発明は、上記カラーフィルタにおいて、前記第１および第２のカラーフィルタと前記マイクロレンズとは、所望の曲率を有するレンズを構成するように段差がなく連続的に形成された上凸曲面をもつものを含む。
この構成により、集光効率に優れたものとなっている。
【００１９】
本発明は、上記カラーフィルタにおいて、前記第１および第２のカラーフィルタは上面で平坦面を構成するものを含む。
【００２０】
本発明は、上記カラーフィルタにおいて、光電変換部の上層に平坦化膜を介して形成されたものを含む。
この構成により、高精度のカラーフィルタのパターン形成が可能となる。
【００２１】
本発明は、上記カラーフィルタにおいて、前記第１および第２のカラーフィルタは、前記光電変換部に近づくにつれて幅または径が小さくなるようなテーパ面を構成するものを含む。
この構成により、フィルタの位置ずれに対する許容性がさらに向上する。
【００２２】
本発明は、前記カラーフィルタは、さらに第３の色を選択的に透過する第３のカラーフィルタを含むものである。
この構成により、フルカラー化が可能となる。
【００２３】
本発明は、上記カラーフィルタにおいて、前記第１乃至第３のカラーフィルタは、色毎に互いに異なる面積を持つように構成されたものを含む。
この構成により、色バランスを補正することができる。
【００２４】
本発明は、上記カラーフィルタにおいて、前記カラーフィルタは、基板の周縁部と中心部とで、前記光学領域と前記カラーフィルタとの面積比が異なるものを含む。
この構成により、色毎のシェーディングやシェーディングの色間差をきわめて小さくすることができる。
【００２５】
本発明は、上記カラーフィルタを備え、画素を構成する複数の光電変換領域を備えた光電変換部と、前記光電変換部に接続される配線層を含む周辺回路部とを具備し、少なくとも光電変換部の上層に前記カラーフィルタを形成してなる。
この構成により、上述したように高感度の固体撮像素子を得ることができる。
【００２６】
本発明は、上記固体撮像素子において、前記周辺回路部は、前記光電変換部で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送電極を備えた電荷転送部を具備したことを特徴とする。
【００２７】
本発明は、上記固体撮像素子において、前記光電変換領域ごとの特性に応じて前記カラーフィルタを構成する第１乃至第３のカラーフィルタと前記光学領域との面積比が異なるように調整されたものを含む。
すなわち、面積比を変えて領域毎に感度調整を行うことができ、固体撮像素子の特性の均一化をはかることができる。
【００２８】
本発明は、上記固体撮像素子において、前記固体撮像素子を構成する画像撮像領域の中心部と周縁部とで、前記カラーフィルタを構成する第１乃至第３のカラーフィルタと前記光学領域との面積比が異なるように調整されたものを含む。
この構成により、１固体撮像素子内の特性の均一化をはかることができる。
【００２９】
本発明は、上記固体撮像素子において、前記カラーフィルタは、前記光電変換部および電荷転送部上を覆う平坦化膜上に形成されたものを含む。
この構成により、高精度のパターニングが可能でありかつ、特性も良好となる。
【００３０】
本発明は、上記固体撮像素子において、前記カラーフィルタは、前記光学領域を構成する透光性材料で構成された透光性膜上に形成された凹部に充填されたものを含む。
この構成により、位置合せも容易で信頼性の高いものとなる。
【００３１】
本発明は、上記固体撮像素子において、前記カラーフィルタは、それぞれ、周囲および上面を前記光学領域を構成する透光性膜で被覆されたものを含む。
この構成により、各色の色フィルタが形成工程中に接触することがないため、染料などの溶出・混入による混色を防止することができる。
【００３２】
本発明は、上記固体撮像素子において、前記上面の透光性膜が上凸曲面を有するものを含む。
【００３３】
本発明は、上記固体撮像素子において、前記第１および第２のカラーフィルタは、前記光電変換部に近づくにつれて幅または径が小さくなるようなテーパ面を構成するものを含む。
この構成により、フィルタ位置ずれに関する許容度の高い、固体撮像素子を提供することができる。
【００３４】
本発明は、上記固体撮像素子において、基体表面に、第１の色のカラーフィルタを構成する第１のカラーフィルタと、前記第１の色とは異なる第２の色のカラーフィルタを構成する第２のカラーフィルタとを配列してなるカラーフィルタを製造する方法であって、前記基体表面に、各色のカラーフィルタを囲む光学領域となる透光性膜を形成する工程と、前記透光性膜にカラーフィルタを形成するための開口を形成する工程と、前記開口の形成された基体表面にカラーフィルタ材料を充填する工程とを含む。
この構成により、透光性膜に形成された開口にカラーフィルタを充填するようにしているため、位置合わせも容易で信頼性の高いものとなる。
【００３５】
また、この方法により、光学領域を形成するための透光性膜を形成しておき、各色の形成領域に開口を形成しながら、対応する色のカラーフィルタパターンを形成し、平坦化するようにしているため、高精度に位置決めされたカラーフィルタを形成することが可能となる。また、光学領域によって隣接する色のカラーフィルタが分離されているため、膜中の染料含有率を高めた薄型化に際しても混色のおそれもなく高精度のパターン形成が可能となる。また、ＣＭＰによる平坦化を行えば、所定外の場所にカラーフィルタ材料が付着している場合にも確実に除去でき、残留を防止することができる。隣接する色のカラーフィルタ同士の段差をより低減することができ、さらなる薄型化が可能となる。
【００３６】
本発明は、上記カラーフィルタの製造方法において、前記透光性膜の一部を残すように開口を形成する工程を含む。
この構成によれば、すべてのカラーフィルタの位置を１つの工程で決定できるので精度の向上をはかることができるという効果がある。
【００３７】
本発明は、基体表面に、第１の色のカラーフィルタを構成する第１のカラーフィルタと、前記第１の色とは異なる第２の色のカラーフィルタを構成する第２のカラーフィルタとを配列してなるカラーフィルタを製造する方法であって、前記基体表面に、第１のカラーフィルタおよび第２のカラーフィルタが離間するように配列されたカラーフィルタのパターンを形成する工程と、各色のカラーフィルタのパターンを覆うように光学領域を形成する透光性膜を形成する工程とを含む。
この構成によれば、容易にカラーフィルタの上層を光学領域が覆う構造のカラーフィルタを容易に形成することができる。
【００３８】
本発明は、上記カラーフィルタを製造する方法において、前記光学領域を形成する工程が、カラーフィルタ材料を充填する工程の後に、透光性膜を形成する工程と、前記透光性膜をパターニングし、前記カラーフィルタ上面および側面にレンズ面を形成するように前記透光性膜を形状加工する工程とを含む。
この構成によれば、レンズ面の形成がなだらかに連続するように形成することが容易に可能となる。
【００３９】
本発明は、基体表面に、第１の色のカラーフィルタを構成する第１のマイクロレンズと、前記第１の色とは異なる第２の色のカラーフィルタを構成する第２のマイクロレンズとを配列してなる上記マイクロレンズを製造する方法であって、前記基体表面に、第１のカラーフィルタを形成する工程と、前記第１のカラーフィルタのパターンを覆うように光学領域を形成する透光性膜を形成する工程と、前記基体表面に、前記第１のカラーフィルタとは離間するように第２のカラーフィルタを形成する工程と、前記第２のカラーフィルタを覆うように光学領域を形成する透光性膜を形成する工程と前記透光性膜をパターニングし、レンズ面を形成する工程とを含む。
この構成によれば、色毎に隔離形成することになるため、染料カラーフィルタを使用するのに適している。
【００４０】
本発明は、上記固体撮像素子の製造方法であって、画素を構成する複数の光電変換領域を備えた光電変換部と、前記光電変換部に接続される配線層を含む周辺回路部とを形成した基体表面に、前記基体表面に、第１のカラーフィルタおよび第２のカラーフィルタが離間するように配列されたカラーフィルタのパターンを形成する工程と、各色のカラーフィルタのパターンを覆うように光学領域を形成する透光性膜を形成する工程とを含む。
この構成によれば、表面の平坦化をはかることができ、上層に、別途平坦化膜を形成することなく、マイクロレンズを形成することもできる。
【００４１】
本発明は、上記固体撮像素子の製造方法であって、前記透光性膜の一部がレンズ面を構成するように、レンズ加工を行う工程とを含む。その際、透光性膜としてレンズを構成するレンズ材を使用しても良い。
【００４２】
また本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記第１の色、前記第２の色、および第３の色が、青色、赤色、および緑色のいずれかであるものを含む。
【００４３】
この方法により、フルカラーの固体撮像素子を効率よく形成することができる。
【００４４】
また本発明の固体撮像素子の製造方法は、画素を構成する複数の光電変換領域を備えた光電変換部と、前記光電変換部で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送電極を備えた電荷転送部と、前記電荷転送部に接続される配線層を含む周辺回路部とを形成した基体表面に、前記基体表面に、第１のカラーフィルタを形成する工程と、この上層に透光性膜を形成し、この透光性膜に第２のカラーフィルタを形成するための開口を形成する開口形成工程と、この開口に、第２のカラーフィルタを形成する工程と、この透光性膜がレンズ面を構成するように透光性膜を形状加工する工程とを含む。
この方法により、１つの色のカラーフィルタを形成した後に透光性材料で構成された透光性膜で覆って、次に形成するカラーフィルタの部分の透光性膜に開口を形成するというプロセスの繰り返しで形成でき、これにより各色のフィルタが形成工程中に接触することがないため、染料などの溶出・混入による混色を防止することができる。
【発明の効果】
【００４５】
本発明によれば、集光効率の向上をはかることができる。
すなわち、製造が容易で、透過損失の少ないカラーフィルタを得ることができる。と同時に、光学領域を備えているため、混色のないカラーフィルタ兼用マイクロレンズを形成することができる。
また各色のカラーフィルタの形状は光学領域に形成する開口のパターンで規定されるため、パターンエッジを垂直（急峻）にすることができ、パターン精度の向上をはかることができ、混色の抑制をはかることができる。
加えてカラーフィルタの顔料や染料（残渣）の付着に伴う、しみ、むらの改善をはかることができる。
このカラーフィルタの製造方法を用いた固体撮像素子の製造方法によれば、カラーフィルタ層の単純な薄膜化による感度の向上に比べ、半値幅の広がりを防止することができることと、もれの分光透過率が平坦化するため、色相分離特性が良好でまた蛍光灯下で肌色の色相が悪化しにくくなる。
また、カラーフィルタの混色を防ぐとともに薄型化を実現することができ、薄型で微細な高感度の固体撮像素子を提供することができる。
さらにまた色シェーディングの補正が容易である。
さらにまたカラーフィルタの位置ずれに対する許容度も大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
本実施の形態で説明するカラーフィルタは、例えば固体撮像素子に用いられるものである。
【００４７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１を説明するための固体撮像素子の断面概略説明図、図２は断面図、図３は平面模式図である（図２は、図３のＡ−Ａ線断面模式図）。図４（ａ）および（ｂ）はこのカラーフィルタを説明する模式図（図４（ａ）は図４（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図）、図５乃至図１０はこの固体撮像素子のカラーフィルタの製造工程を示す工程断面図である。
この固体撮像素子は、図１に示すように、フォトダイオード３０の上方には、カラーフィルタがレンズ領域を構成する透光性の光学領域５０Ｔを介して各色のカラーフィルタ５０Ｒ，５０Ｇ，５０Ｂが離間するように分離形成されてなることを特徴とする。ここではカラーフィルタの上面にもレンズ面を構成する光学領域５０T が形成されている。各色のカラーフィルタ材料は、各フォトダイオード３０に対向するように、光学領域５０Ｔを構成する樹脂膜に形成された第１乃至第３の開口にそれぞれ各色のカラーフィルタ材料が充填され、第１乃至第３のカラーフィルタとしての赤色のカラーフィルタ５０Ｒと、緑色のカラーフィルタ５０Ｇと、青色のカラーフィルタ５０Ｂとを構成している。ここでは透光性の光学領域５０Ｔを構成する樹脂膜としては、可視光に対して透明なレジスト材料（例えば、富士フイルムエレクトロニクスマテリアルズ株式会社製Ｃシリーズ）や熱硬化性（非感光性）材料などを用いる。そしてこの光学領域５０Ｔに対しフォトリソグラフィまたはドライエッチングでパターニングされた高精度の第１乃至第３の開口パターンが配列されている。このカラーフィルタは、図２および図３に示すように、各フォトダイオード３０それぞれに対応するように赤色のカラーフィルタ５０Ｒと、緑色のカラーフィルタ５０Ｇと、青色のカラーフィルタ５０Ｂとが、フィルタ下平坦化膜７４上で各パターンエッジが垂直となるように形成され、かつ表面が平坦面を構成したことを特徴とするものである。図３では、各フォトダイオード３０に対し、その上方に形成される各色カラーフィルタを示す符号（Ｒ，Ｇ，Ｂ）を付した。
【００４８】
図４(ａ)および（ｂ）にカラーフィルタを模式的に示す。図４（ａ）は図４（ｂ）のＢ−Ｂ断面図である。光学領域５０Ｔはエッチバック法により形成された、レンズ面を構成しており、この中心に形成されるカラーフィルタ材料は、感光性を含有しなくてもよい。非感光性カラーフィルタの場合、色材を高密度に充填することができる。
【００４９】
他は通例の構造をなすものであるが、ｎ型のシリコン基板１表面部に光電変換部であるフォトダイオード３０が配列形成され、各フォトダイオード３０で発生した信号電荷を列方向（図３中のＹ方向）に転送するための電荷転送部４０が、列方向に配設された複数のフォトダイオード３０からなる複数のフォトダイオード列の間を蛇行して形成される。そして、奇数列のフォトダイオード列が、偶数列のフォトダイオード列に対して、列方向に配列されるフォトダイオード３０の配列ピッチの略１／２列方向にずれるように形成されている。
【００５０】
電荷転送部４０は、複数のフォトダイオード列の各々に対応してシリコン基板１表面部の列方向に形成された複数本の電荷転送チャネル３３と、電荷転送チャネル３３の上層に形成された電荷転送電極３（第１層電極３ａ、第２層電極３ｂ）と、フォトダイオード３０で発生した電荷を電荷転送チャネル３３に読み出すための電荷読み出し領域３４とを含む。電荷転送電極３は、行方向に配設された複数のフォトダイオード３０からなる複数のフォトダイオード行の間を全体として行方向（図３中のＸ方向）に延在する蛇行形状となっている。ここで電荷転送電極３は第１層電極上に電極間絶縁膜を介して第２層電極を形成しＣＭＰにより平坦化して単層電極構造としたものであるが、単層電極構造に限らず、第１層電極の一部を第２層電極が覆うように形成した二層電極構造であっても良い。
【００５１】
図２に示すように、シリコン基板１の表面にはｐウェル層１Ｐが形成され、ｐウェル層１Ｐ内に、ｐｎ接合を形成するｎ領域３０ｂが形成されると共に表面にｐ領域３０ａが形成され、フォトダイオード３０を構成しており、このフォトダイオード３０で発生した信号電荷は、ｎ領域３０ｂに蓄積される。
【００５２】
そしてこのフォトダイオード３０の右方には、少し離間してｎ領域からなる電荷転送チャネル３３が形成される。ｎ領域３０ｂと電荷転送チャネル３３の間のｐウェル層１Ｐに電荷読み出し領域３４が形成される。
【００５３】
シリコン基板１表面にはゲート酸化膜２が形成され、電荷読み出し領域３４と電荷転送チャネル３３の上には、ゲート酸化膜２を介して、第１の電極３ａと第２の電極３ｂが形成される。第１の電極３ａと第２の電極３ｂの間は電極間絶縁膜５が形成されている。垂直転送チャネル３３の右側にはｐ＋領域からなるチャネルストップ３２が設けられ、隣接するフォトダイオード３０との分離がなされている。
【００５４】
電荷転送電極３の上層には酸化シリコン膜などの絶縁膜６、反射防止層７が形成され、更にその上に中間層７０が形成される。中間層７０のうち、７１は遮光膜、７２はＢＰＳＧ（borophospho  silicate  glass）からなる絶縁膜、７３はＰ−ＳｉＮからなる絶縁膜（パッシベーション膜）、７４は透明樹脂等からなるフィルタ下平坦化膜である。遮光膜７１は、フォトダイオード３０の開口部分を除いて設けられる。中間層７０上方には、レンズ面を構成するカラーフィルタが設けられる。カラーフィルタを構成する各色のカラーフィルタ５０Ｒ，Ｇ，Ｂはレンズ面を構成する光学領域５０Ｔで覆われている。
【００５５】
本実施の形態の固体撮像素子は、フォトダイオード３０で発生した信号電荷がｎ領域３０ｂに蓄積され、ここに蓄積された信号電荷が、電荷転送チャネル３３によって列方向に転送され、転送された信号電荷が図示しない水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）によって行方向に転送され、転送された信号電荷に応じた色信号が図示しないアンプから出力されるように構成されている。すなわちシリコン基板１上に、光電変換部、電荷転送部、ＨＣＣＤ、及びアンプを含む領域である固体撮像素子部と、固体撮像素子の周辺回路（ＰＡＤ部等）が形成される領域である周辺回路部とが形成されて固体撮像素子を構成している。
【００５６】
次に上述した固体撮像素子の製造工程を説明する。
まず、カラーフィルタ形成前までの製造工程について説明する。
ｎ型のシリコン基板１表面に、不純物を導入し、ｐウェル層１Ｐ、電荷転送チャネル３３、電荷読み出し領域３４、チャネルストップ層３２などを形成した後、ゲート酸化膜２を成膜する。続いて、このゲート酸化膜２上に、第１層電極３ａを構成する第１導電性膜を成膜し、パターニングを行って第１層電極３ａ及び周辺回路の配線を形成する。次に、第１層電極３ａの周囲に酸化シリコン膜からなる絶縁膜５を成膜し、その上に第２層電極３ｂを構成する第２導電性膜を成膜する。次に、ＣＭＰにより第２導電性膜３ｂの平坦化を行い、パターニングし、第２層電極３ｂを形成する。次に、これら電荷転送電極３を覆うように絶縁膜６を成膜した後、フォトダイオード領域のｎ領域３０ｂおよびｐ領域３０ａを形成した後、フォトダイオード領域の受光領域に開口するように遮光膜７１を形成する。次に、絶縁膜７２を成膜し、これを高温リフローにより平坦化を行う。
【００５７】
次に、この絶縁膜７２の周辺回路上部にコンタクトホールを形成した後、金属材料を成膜し、パターニングしてボンディングパッド（図示せず）を形成する。そして、ＣＶＤ法により窒化シリコン膜からなるパッシベーション膜７３を成膜し、ボンディングパッド上のパッシベーション膜を選択的にエッチング除去して開口を形成し、ボンディングパッドを露出させる。この後、Ｈ２を含む不活性ガス雰囲気内でシンタリングを行った後、スピンコート法により、平坦化膜を成膜する。ここでは他の平坦化膜との混同を避けるために、この平坦化膜をフィルタ下平坦化膜７４と指称する。ここまでの製造工程は、通例の方法である。このフィルタ下平坦化膜７４としては、前記透光性領域と同様、可視光に対して透明なレジスト材料（例えば、富士フイルムエレクトロニクスマテリアルズ株式会社製Ｃシリーズなど）を用いる。
【００５８】
なお、フィルタ下平坦化膜７４は下層が平坦である場合には必須ではなく、以下の工程ではフィルタ下平坦化膜７４を用いない例について説明する。
【００５９】
次に、カラーフィルタの製造工程について図５乃至図１０を参照して詳細に説明する。
これらは、本実施の形態のカラーフィルタの各製造工程を示す図であり、各図において赤色のカラーフィルタには“５０Ｒ”、緑色のカラーフィルタには“５０Ｇ”、青色のカラーフィルタには“５０Ｂ”の文字を付した。本実施の形態では、平坦化のためのＣＭＰ処理を行うが、ＲＧＢの各カラーフィルタ材料として、ＣＭＰ処理において研磨レートがレジストと１：１程度となるような材料を用いる。尚、本実施の形態における“Ｂ”は、第１の色に該当し、“Ｒ”と“Ｇ”は、第２の色および第３の色に該当するものとする。各平面図において絶縁膜７２よりも下層は省略するものとする。
【００６０】
まず、図５（ａ）に示すように、平坦化膜７２上に配線層(図示せず)を形成した後、プラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜からなるパッシベーション膜７３を形成し、このパッシベーション膜７３上に、図５（ｂ）に示すように、塗布法により透光性の光学領域５０Ｔを形成するための樹脂膜を形成する。
【００６１】
そして図６（ａ）に示すように、フォトリソグラフィにより、レジストパターンＲ１を形成する。この後図６（ｂ）に示すように、レジストパターンＲ１をマスクとして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、第１の開口Ｏ１を形成する。
【００６２】
そして、第１の色のカラーフィルタ材料として青色カラーフィルタ材料を０．５〜２．０μｍとなるように塗布する。このカラーフィルタ材料は感光性を有しないものとする。この工程により、青色カラーフィルタ材料が第１の開口Ｏ１に充填される。そしてこの状態で、青色のカラーフィルタ材料のパターンに熱処理及び紫外線照射を行うことによって硬化し（図６（ｃ））、ＣＭＰにより平坦化を行い、青色カラーフィルタ５０Ｂが形成される（図６（ｄ））。
【００６３】
この後、図７（ａ）に示すように、赤色のカラーフィルタパターンを形成するためのレジストパターンＲ２をフォトリソグラフィにより形成する。ここでは、赤色のカラーフィルタとなる領域に開口を有する形状となっている。
【００６４】
この後、図７（ｂ）に示すように、このレジストパターンＲ２をマスクとして異方性ドライエッチングである反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行い、赤色のカラーフィルタ材料のパターンを形成するための第2の開口Ｏ2を形成する。ここでも下層の窒化シリコン膜７３がエッチングストッパとして作用する。
【００６５】
そして、レジストパターンＲ２を残したまま、赤色のカラーフィルタ材料Ｒを膜厚０．５〜２．０μｍとなるように塗布し、赤色のカラーフィルタ材料のパターンに熱処理及び紫外線照射を行うことによって硬化する（図７（ｃ））。
この後ＣＭＰを行い表面を平坦化して、赤色のカラーフィルタ５０Ｒを形成する（図８（ａ））。
【００６６】
この後、図８（ｂ）に示すように、緑色のカラーフィルタパターンを形成するためのレジストパターンＲ３をフォトリソグラフィにより形成する。ここでは、緑色のカラーフィルタとなる領域に開口を有する形状となっている。
【００６７】
この後、図８（ｃ）に示すように、このレジストパターンＲ３をマスクとして異方性ドライエッチングである反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行い、緑色のカラーフィルタ材料のパターンを形成するための第３の開口Ｏ３を形成する。ここでも下層の窒化シリコン膜７３がエッチングストッパとして作用する。
【００６８】
そして、レジストパターンＲ３を残したまま、緑色のカラーフィルタ材料５０Ｇ（Ｇ）を塗布し、緑色のカラーフィルタ材料のパターンに熱処理及び紫外線照射を行うことによって硬化する（図９（ａ））。
この後ＣＭＰを行い表面を平坦化して、緑色のカラーフィルタ５０Ｇを形成する（図９（ｂ））。
【００６９】
このＣＭＰ処理により、各色のカラーフィルタの表面が平坦であり、残渣もなく高精度のカラーフィルタパターンの形成が可能となる。
【００７０】
そして、このカラーフィルタの上に、可視光に対して透明な感光性の樹脂材料５０Ｔ（例えば富士フイルムエレクトロニクスマテリアルズ株式会社製Ｃシリーズ）を塗布し(図９（ｃ）)、この上層にさらにレジストＲを塗布しこれをフォトリソグラフィによりパターニングし(図１０（ａ）)、メルト法によってレジストＲにレンズ面を形成し、エッチバックする(図１０（ｂ）)ことで、図２に示すような固体撮像素子が形成される。
【００７１】
このように、隣接するカラーフィルタの間および上にはレンズ面を構成する光学領域５０Ｔが存在しているため、感度の向上をはかることができるとともに、混色の発生を確実に防ぐことができる。また、本実施の形態の製造方法によれば、光学領域５０Ｔとなる樹脂膜に対してフォトリソグラフィにより形成したレジストパターンをマスクとして順次ＲＩＥにより樹脂膜をドライエッチングして開口を形成し、順次カラーフィルタ材料を充填していくため、感光基を用いることなく着色基などフィルタ成分として必要な材料のみで構成することができ、より薄型で高精度のパターン形成が可能である。また、カラーフィルタのパッシベーション膜７３（平坦化膜７４）表面からの高さを従来よりも低くすることができるため、固体撮像素子の薄型化が可能となる。この結果、斜め入射光に対するマージンが広がり、高感度の固体撮像素子を製造することが可能となる。
【００７２】
又、カラーフィルタ材料として、染料系あるいは顔料分散型のカラーフィルタ材料を用いた場合には、カラーフィルタ材料のパターンを形成後、水洗時に残渣が発生し、これが他の色のカラーフィルタ上に付着して、光学特性、特に画質を劣化させる要因となってしまうが、本実施の形態によれば、ＣＭＰ処理によって上記残渣も除去することができるため、画質劣化を防ぐことができる。特に染料系のカラーフィルタ材料の場合には染料の染み出しなどが問題になるが本発明によれば光学領域により各色のカラーフィルタが分離されているため、確実に染み出しを防ぐことができる。
【００７３】
又、本実施の形態の方法で得られたカラーフィルタは、その表面が平坦化されているため、平坦化膜を形成せずに、カラーフィルタ表面にマイクロレンズ６１を直接形成することも可能である。
【００７４】
又、本実施の形態では、すでに形成した青色のカラーフィルタ５０ＢなどをストッパとしてＣＭＰ処理を行っているが、ストッパを用いないでＣＭＰ処理を行うことも可能である。この場合は、公知の終点検出機能又は時間研磨を利用して、青色のカラーフィルタ５０Ｂの平坦化膜７４表面からの高さよりも高い位置にある赤色のカラーフィルタ５０Ｒ及び緑色のカラーフィルタ５０Ｇの厚さが５０ｎｍ以下になるようにＣＭＰ処理を行えば良い。この５０ｎｍは段差として許容しうる範囲の値である。又、この場合、カラーフィルタの形成順序は上述したものに限定されることなく適宜変更可能である。
【００７５】
又、本実施の形態では、フォトダイオードがハニカム状に配設された構成の固体撮像素子について説明したが、これに限定されることなく、複数のフォトダイオードが正方格子状に配設された構成の固体撮像素子にも本発明を適用可能である。
【００７６】
又、本実施の形態では、ＲＧＢの原色系のカラーフィルタを例にしたが、シアン、マゼンタ、イエローの補色系のカラーフィルタであっても本発明を適用可能である。
【００７７】
(実施の形態２)
次に本発明の実施の形態２について説明する。
前記実施の形態では、カラーフィルタの側面および上面をレンズ面で覆った構造について説明したが、本実施の形態では図１１に示すように、カラーフィルタの上面は平坦面となっており、側面のみがレンズ面で覆われたことを特徴とするものである。
製造に際しては、レンズ材料となる感光性の樹脂膜５０Ｔを形成し、この膜にフォトリソグラフィにより、開口を形成し、それぞれの色のカラーフィルタ材を充填し、ＣＭＰにより表面の平坦化を行うことによって得られる。
すなわち、図１２（ａ）に示すように樹脂膜５０Ｔを形成し、これをフォトリソグラフィによりパターニングする。
この後、図１２（ｂ）に示すように、樹脂膜５０Ｔを溶融し、レンズ面を形成する。
そしてさらに、図１２（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィにより、カラーフィルタ材を充填するための開口を形成する。
このようにして形成された開口にカラーフィルタ材料を順次充填し、平坦化し、図１１に示したように、表面の平坦なカラーフィルタを備えた光学系を形成することが可能となる。
ここで平坦化に際してはエッチバックあるいはＣＭＰが用いられるが、樹脂膜５０Ｔの形状を維持するために綿密な注意を払う必要がある。
【００７８】
(実施の形態３)
次に本発明の実施の形態３について説明する。
前記実施の形態では、カラーフィルタの側面および上面をレンズ面で覆った構造について説明したが、本実施の形態では図１３に示すように、カラーフィルタの上面はレンズ面の一部を構成し、側面のレンズ領域すなわち光学領域５０Ｔと連続的なレンズ面を構成したことを特徴とするものである。
【００７９】
製造に際しては、図１４（ａ）に示すように各色のカラーフィルタ層を順次、透光性膜で被覆しながら、順次レンズ材料となる光学材料５０Ｔを形成し、図１４（ｂ）に示すようにそれぞれの色のカラーフィルタ５０Ｒ，Ｇ，Ｂを、光学領域５０Ｔを形成するための透光性膜で被覆する。なおここでは途中の工程を省略するが通常の方法で形成される。
【００８０】
そして図１５（ａ）に示すように、この上層にフォトリソグラフィによりレジストパターンＲ４を形成し、図１５（ｂ）に示すように溶融して、レンズ形状をなすようにする。
【００８１】
この状態でレジストパターンＲ４をマスクとしてエッチバックを行い、レンズ面を形成し図１３に示したレンズ形状を得る。
【００８２】
この方法により、１つの色のカラーフィルタを形成した後に透光性材料で構成された透光性膜で覆って、次に形成するカラーフィルタの部分の透光性膜に開口を形成するというプロセスの繰り返しで形成できるため、これにより各色のフィルタが形成工程中に接触することがないため、染料などの溶出・混入による混色を防止することができる。
【００８３】
またカラーフィルタ領域と光学領域とはほぼエッチング速度が等しくなるような材料で形成するのが望ましい。この方法によれば、なめらかな連続面をもつ光学領域を形成することが可能となる。
レンズ形状の、製造に際しては、透光性膜でカラーフィルタ上を被覆した後、透光性膜の上面部にのみトレンチを形成し、リフローにより溝のエッジを丸くし、さらにエッチバックを行うことによりレンズ面を形成することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
この構成によれば、集光性に優れ高感度でかつ混色を防止しマイクロレンズとカラーフィルタ層を一体化することができることから、より薄型化が可能であり、携帯端末などの電子機器における固体撮像素子として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の実施の形態１のマイクロレンズの断面概略図
【図２】本発明の実施の形態１の固体撮像素子の断面概要図
【図３】図２の平面模式図
【図４】本実施の形態１のカラーフィルタ兼マイクロレンズの構造を示す模式図
【図５】本実施の形態１のカラーフィルタ兼マイクロレンズの製造工程を示す図
【図６】本実施の形態１のカラーフィルタ兼マイクロレンズの製造工程を示す図
【図７】本実施の形態１のカラーフィルタ兼マイクロレンズの製造工程を示す図
【図８】本実施の形態１のカラーフィルタ兼マイクロレンズの製造工程を示す図
【図９】本実施の形態１のカラーフィルタ兼マイクロレンズの製造工程を示す図
【図１０】本実施の形態１のカラーフィルタ兼マイクロレンズの製造工程を示す図
【図１１】本発明の実施の形態２のカラーフィルタ兼マイクロレンズの断面概略図
【図１２】本発明の実施の形態２のカラーフィルタ兼マイクロレンズの製造工程を示す図
【図１３】本発明の実施の形態３のカラーフィルタ兼マイクロレンズの断面概略図
【図１４】本発明の実施の形態３のカラーフィルタ兼マイクロレンズの構造を示す模式図
【図１５】本発明の実施の形態３のカラーフィルタ兼マイクロレンズの製造工程を示す図
【符号の説明】
【００８６】
１  ｎ型シリコン基板
２  ゲート酸化膜
３ａ  第１層電極
３ｂ  第２層電極
５  電極間絶縁膜
６  絶縁膜
７  反射防止層
６１  マイクロレンズ
７１  遮光膜
７２  絶縁（ＢＰＳＧ）膜
７３  パッシベーション膜
７４  平坦化膜
５０Ｂ，５０Ｒ，５０Ｇ  カラーフィルタ
５０Ｔ  光学領域
【図１】
2007324321.tif 000003
【図２】
2007324321.tif 000004
【図３】
2007324321.tif 000005
【図４】
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【図５】
2007324321.tif 000007
【図６】
2007324321.tif 000008
【図７】
2007324321.tif 000009
【図８】
2007324321.tif 000010
【図９】
2007324321.tif 000011
【図１０】
2007324321.tif 000012
【図１１】
2007324321.tif 000013
【図１２】
2007324321.tif 000014
【図１３】
2007324321.tif 000015
【図１４】
2007324321.tif 000016
【図１５】
2007324321.tif 000017